有人認為 ,優化結構設計只是抽鋼筋的問題 ,其實不然。一棟建筑方案產生后 ,結構從選型和布置開始就存在優化與否的問題 ,再加之后續的精心設計、準確計算、合理選用等全過程的優化設計才能產生優化的結構。如果僅是抽鋼筋的概念 ,優化是非常有限的 ,因為所有設計依據同樣的條件 ,遵循同一本規范 ,計算采用同樣的軟件 ,結果應該是一樣的。隨著建筑事業的發展,建筑結構設計水平也相應地不斷提高, 但是另一方面,由于技術原因而造成的質量低劣和浪費現象也時有發生,為此本文對近年來在工程實踐中的體會和心得,主要是分析高層建筑的設計優化特點進行闡述,供參考討論。

　　一、高層建筑結構優化設計

　　1對高層建筑結構方案進行優化采用何種方法，首先應分析這一問題的目標函數、目標函數中的各種變量這些變量之間的各種數學解析關系以及與各種變量有關的約束條件，在分析的基礎上是采用間接優化還是直接優化方法來確定。高層建筑結構方案優化的目標就是材料耗量，材料耗量決定于構件的截面尺寸大小，截面尺寸必須滿足通過力學分析得到各構件內力后的強度計算及位移變形等條件。因此，目標函數很難用明確的數學解析式來表達，不能用數學上求極小值的方法，也就是一般所說的間接優化方法來優化。高層建筑結構方案的優化只能采用直接優化法來解決，即給目標函數中變量以已知值，經過試算使其滿足一定的約束條件，求得其目標值，并找出使目標值逐步變小而趨向最佳值的路線或方向，以達到目標函數的最優值。因此，可以采用滿應力法進行高層建筑結構優化設計。

　　2 滿應力設計法是在桁架等桿系結構的設計中發展起來的，是結構優化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準則法。所謂滿應力是指結構構件在荷載作用下的最大應力達到所用材料的容許應力，此時材料的強度得到充分利用，構件截面面積將是最小，故可作為桁架最輕設計或體積最小設計的一個準則。滿應力設計法是結構在規定材料和幾何形狀的條件下，按照滿應力準則的要求，修改構件的截面尺寸，使每一構件至少在一種工況下達到或接近其容許應力限值的優化算法。如果結構除了應力約束外還有界限約束，則要求每一構件應力約束和界限約束中至少有一個達到臨界值。

　　3 利用滿應力設計法進行高層建筑的結構優化設計要遵循以下步驟：首先，要根據常規做法和經驗確定結構構件的初始截面尺寸，并按構件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數據庫;其次，要對結構構件進行力學分析，算出各工況下結構的位移及內力，并對結構構件進行承載力計算;再次，要根據計算結果，對構件截面尺寸進行調整，在滿足位移條件的前提下，盡量充分發揮構件材料的性能，即按規范計算使其接近滿應力狀態，但截面選擇應在指定的數據庫中進行，并統計截面需修改的個數;然后，根據修改截面的數量、性質，由人工干預決定或指定一個限值自動決定是否重新計算，即返回到第二步計算，如此循環反復，直到滿足要求為止;最后，輸出最后優化的構件截面尺寸及計算結果。

　　二、 結構優化設計策略

　　鋼筋混凝土框架-剪力墻結構是高層建筑結構中最常采用的承載體系之一，它同時具有框架結構建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面易于處理，以及剪力墻結構抗側移剛度大、整體性好、抗震能力強的優點。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框-剪結構是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系，力學分析難度較大，其優化設計就更為復雜和難以實現。所以，筆者以下謹通過已有的工程設計經驗提出步驟性的建議，不作深入的學術探討。希望國內外學者和工程設計人員今后對此能有更多有益的嘗試，探討更多有關框-剪結構的優化設計方面的課題，以推動我國節能事業的發展。

　　1框架結構的分部優化設計技術

　　鋼筋混凝土框架結構屬于具有多個多余約束的超靜定結構，其荷載效應不僅與外荷載大小有關，還與結構構件的材料特征、幾何構造特征有關。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計，即是在結構整體內力分析完成后，根據梁柱各構件的控制內力進行截面優化設計，確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征和配筋量的優化結果，由此導致原結構的幾何特征和荷載特征發生變化，優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化，各構件控制截面上的控制內力也發生相應變化，據此再進行新一輪的優化設計。因此框架結構的分部優化設計實際上是一個迭代、漸進的尋優過程，計算結果雖不總能等價于整體優化設計結果，但通常能給出工程實用的滿意結果。

　　鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計方法的具體步驟為：

　　(1)初始選型：根據結構平面、立面布置及建筑物設計使用功能，分析結構所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線，并考慮施工因素，歸并框架梁、柱的類型,初選梁柱的幾何尺寸;

　　(2)結構分析：按照結構的實際幾何構造特征，計算結構所受豎向荷載及水平荷載，對鋼筋混凝土結構進行空間內力分析。根據結構分析結果，將截面尺寸相同的構件的控制截面內力，根據其大小進行分類，并確定每一類構件的設計控制內力;

　　(3)截面優化設計：針對每一種梁柱構件的控制內力進行優化設計，得出優化約束條件下的結構幾何構造特征和配筋特征的優化設計結果，從而構成新的優化意義上的設計結構;

　　(4)收斂性判斷：在工程精度意義上選取一個較小的數值，作為檢驗結構收斂性的條件，進行收斂性判斷。若優化結構與原結構基本一致，則認為優化結構是收斂的，可以轉入下一步的可行性判斷，否則轉回第②步重新進行結構分析、優化設計;

　　(5)可行性判斷：對優化設計結果進行一次內力分析，檢驗其可用性。若整體分析能夠滿足工程設計要求，則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果。否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整，直到方案可用為止。

　　2 第二階段：剪力墻構件的優化設計

　　剪力墻結構構件的優化設計主要是結構剛度與延性指標的最佳組合，可用力學準則進行優化。結構剛度對結構的影響主要為結構的自振周期和側向位移，結構延性對結構的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性。我們根據高層結構設計規范對結構層間位移和頂點總側移的限值來控制結構的剛度設計和延性設計。

　　3 第三階段：框架結構的優化設計

　　框架結構的優化設計準則是一個結構準則，在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對框-剪結構中的框架部分進行優化設計。

　　三、框-剪結構的優化設計步驟

　　1 分析結構平面、立面布置特點，根據工程經驗選定剪力墻抗側力構件的布置位置及幾何厚度;

　　2 根據結構使用荷載特點，根據經驗歸并框架結構類型，并初步選定每一類型框架結構梁柱構件的幾何尺寸;

　　3 進行整體結構的空間內力分析;

　　4 根據結構分析計算結果，檢查結構的層間位移及頂點總位移是否滿足規范要求。若滿足規范要求，則轉入第5步進行判斷;若不滿足規范要求，則直接返回第1步，進行剪力墻水平截面面積的修正;

　　5 剛度最優化判斷：比較結構實際側移值和規范限值，若│max(δ/h)-[δ/h]│/[δ/h]≤ε1且│max(Δ/H)-[Δ/H]│/[Δ/H]≤ε2，則轉入第6步進行計算;否則轉入第1步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數ζ=max{ζ1，ζ2}(ζ1=[δ/h]/max(δ/h)，ζ2=[Δ/H]│/max(Δ/H))，來修正剪力墻幾何尺寸，重新進行結構分析;

　　6分別進行剪力墻和框架結構構件的截面優化設計;

　　7收斂性判斷：比較優化結構與原結構的接近程度，若優化結構與原結構基本一致，則認為優化結構是收斂的，可以轉入下一步進行可行性判斷，否則將優化結構作為原結構轉回第3步重新進行結構分析、優化設計;

　　8可行性判斷：對優化設計結果進行一次內力分析，檢驗其可用性。若整體分析能夠滿足工程設計要求，則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果。否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整，直到方案可用為止。

　　四、結語

　　結構設計首要任務是實現建筑功能的需求,保證其舒適度 ,使建筑更有生命力。結構造價在建筑產品中的比重很大 ,精心設計能帶來可觀的經濟效益 ,不容忽視。結構安全更是生命攸關的大事 ,我國規范有明確的設防水準 ,結構設計應避免薄弱環節 ,確保理論計算與實際情況相吻合 ,并能使所有構件具有同樣的安全可靠度。所以結構設計應充分運用結構各種手段在真實的受力機理基礎上 ,既保證結構達到安全設防水準 ,又節省工程造價 ,同時還能最大程度地實現建筑師創作的產品 ,這才是真正意義上的結構優化設計。